【文章內(nèi)容簡介】 。 32 致 謝 33 貴 州大學(xué)本科 課程設(shè)計(jì) 論文 I ZX5 型數(shù)控鉆銑床工作臺(tái)設(shè)計(jì) 摘 要 數(shù)控鉆銑床是一種加工用途廣泛的加工機(jī)械，本次設(shè)計(jì)的 ZX 型數(shù)控鉆銑床工作臺(tái)，主要用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床，其精度要求不高，工作量要求 不大。該設(shè)計(jì) 包括機(jī)械 系統(tǒng) 部分的設(shè)計(jì)和電氣控制部分的控制。其中機(jī)械傳動(dòng)部分的設(shè)計(jì)又包括機(jī)械本體、動(dòng)力與驅(qū)動(dòng)部分、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，主要涉及導(dǎo)軌副的選擇、滾珠絲杠的計(jì)算和校驗(yàn)以及步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算和選型。而電氣控制部分的設(shè)計(jì)包括控制系統(tǒng)的硬件和軟件兩部分的設(shè)計(jì)，硬件部分主要有環(huán)分電路、功率驅(qū)動(dòng)電路和電流控制電路的設(shè)計(jì)，以及單片機(jī)的選用，軟件部分主要是單片機(jī)控制程序的編寫。這是一個(gè)典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞 ： 精度、工作臺(tái)、滾珠絲杠、步進(jìn)電機(jī)、控制系統(tǒng)。 貴 州大學(xué)本科 課程設(shè)計(jì) 論文 2 第一章 前 言 數(shù)控技術(shù)與數(shù)控機(jī)床概述 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、 微電子技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)、傳感與檢測(cè)技術(shù)、制造技術(shù)等多學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展，數(shù)控技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代制造系統(tǒng)中不可或缺的基礎(chǔ)技術(shù)，數(shù)控技術(shù)和數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用在制造業(yè)中日益普及，已成為機(jī)電一體化高新制造技術(shù)的基礎(chǔ)和重要組成部分。 數(shù)控機(jī)床是指應(yīng)用數(shù)控技術(shù)對(duì)加工過程進(jìn)行控制的機(jī)床，它具有 加工柔性好 、 加工精度高 、 生產(chǎn)率高 、自動(dòng)化程度高、勞動(dòng)力要求低等多種優(yōu)點(diǎn) ，有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化以及經(jīng)濟(jì)效益的提高。數(shù)控機(jī)床是一種高度機(jī)電一體化的產(chǎn)品，適用于加工多品種小批量零件、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、精度要求較高的零件。 一個(gè)國家工業(yè)化發(fā)展的程度，很大 程度在于數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用上。 我國目前機(jī)床現(xiàn)狀 據(jù)資料介紹，我國擁有 400 多萬臺(tái)機(jī)床， 但 絕大部分都是多年累積生產(chǎn)的普通機(jī)床。這些機(jī)床自動(dòng)化程度不高，加工精度低，要想在短時(shí)期內(nèi)用自動(dòng)化程度高的設(shè)備大量更新，替代現(xiàn)有的機(jī)床，無論從資金還是從我國機(jī)床制造廠的生產(chǎn)能力都是不可行的。 因?yàn)?新型機(jī)床價(jià)格昂貴，一次性投資巨大，如果把舊機(jī)床設(shè)備全部以新型機(jī)床替換，國家要花費(fèi)大量的資金，而替換下的機(jī)床又會(huì)閑置起來造成浪費(fèi)，若采用改造技術(shù)加以現(xiàn)代化，則可以節(jié)省 50%以上的資金。 因此 盡快將我國現(xiàn)有的部分普通機(jī)床實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和精密化改造 又勢(shì)在必行。為此，如何改造就成了我國現(xiàn)有設(shè)備技術(shù)改造迫切要求解決的重要課題。 從上述 介紹 中 可以了解到 數(shù)控技術(shù)用于機(jī)床改造是建立在微電子現(xiàn)代技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合的基礎(chǔ)之上。通過理論上的推導(dǎo)和實(shí)踐使用的證明，把微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)引入機(jī)床的改造有以下幾方面的優(yōu)點(diǎn)：可靠性高 、 柔性強(qiáng) 、 易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化 、 經(jīng)濟(jì)性可觀。為此在舊的機(jī)床上進(jìn)行數(shù)控改造可以提高機(jī)床的使用性能，降低生產(chǎn)成本，用較少的資金投入而得到較高的機(jī)床性能和較大的經(jīng)濟(jì)效益。 貴 州大學(xué)本科 課程設(shè)計(jì) 論文 3 設(shè)計(jì)的目的及意義 此次課程設(shè)計(jì)的主要目的 及意義 有： 使大家對(duì)數(shù)控機(jī)床的基本組成及其相 關(guān)知識(shí)全面地、系統(tǒng)地了解和掌握 。 從本次設(shè)計(jì)中可以 學(xué)習(xí) 導(dǎo)軌的計(jì)算與選型，以及滾珠絲杠的計(jì)算與校核。 掌握常用 步進(jìn) 電機(jī)的工作原理、計(jì)算控制方法與控制驅(qū)動(dòng)方式； 使學(xué)生學(xué)會(huì)綜合運(yùn)用《數(shù)控技術(shù)》《機(jī)電一體化》《機(jī)械設(shè)計(jì)》《單片機(jī)原理及應(yīng)用》等幾門課程所學(xué)知識(shí)； 鍛煉學(xué)生應(yīng)用手冊(cè)和標(biāo)準(zhǔn)、查閱文獻(xiàn)資料及撰寫科技論文的能力。 設(shè)計(jì)的任務(wù) 本次課程設(shè)計(jì)是 設(shè)計(jì)一臺(tái) ZX 兩坐標(biāo)工作臺(tái)，供立式數(shù)控銑 銑 床使用。具體內(nèi)容如下： 機(jī)械 系統(tǒng)部分 設(shè)計(jì)：通過計(jì)算 ,正確選擇傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)等，根據(jù)計(jì)算 說明，繪制機(jī)械系統(tǒng)裝配圖。 電氣控制部分 設(shè)計(jì)：根據(jù)系統(tǒng)要求，選擇正確的控制策略，設(shè)計(jì)合理的控制系統(tǒng)，并繪制控制系統(tǒng)電路圖。 撰寫設(shè)計(jì)說明書。 主要設(shè)計(jì)參數(shù) 型號(hào)： ZX5 加速時(shí)間： 臺(tái)面以上最大重量： 70Kg 工作臺(tái)尺寸： 280*200 X 坐標(biāo)行程： 240mm Y坐標(biāo)行程： 160mm 脈沖當(dāng)量： 定位精度： 重復(fù)定位精度： 工作臺(tái)空載最快移動(dòng)速度： 2020 mm/min 工作臺(tái)進(jìn)給最快移動(dòng)速度： 500 mm/min 立銑刀最大直徑： D=15mm 立銑刀齒數(shù)： Z=3 最大銑削寬度： 15ea mm? 最大背吃刀量： a8p mm? 每齒進(jìn)給量 : 加工材料：碳素鋼或有色金屬 貴 州大學(xué)本科 課程設(shè)計(jì) 論文 4 第二章 總體方案的確定 總體方案的確定 根據(jù)課 程設(shè)計(jì)的要求，參考數(shù)控十字工作臺(tái)的有關(guān)資料，確定總體方案如下圖 所示：其原理為通過控制器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理，將數(shù)據(jù)發(fā)送給驅(qū)動(dòng)器，經(jīng)過功率放大后驅(qū)動(dòng)電機(jī)，電機(jī)通過聯(lián)軸器與絲杠相連，從而驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)。 圖 ：系統(tǒng)總體原理圖 機(jī)械系統(tǒng)傳動(dòng)部件的選擇 1. 絲杠螺母副的選擇 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)需要通過絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，需要滿足初選 脈沖當(dāng)量，因?yàn)槎ㄎ痪?， 要求較高，而絲杠螺母副主要有滑動(dòng)絲杠螺母 機(jī)構(gòu)和滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)兩種，相比之下，滑動(dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu)傳動(dòng)效率低，僅僅為 30%40%，而 滾動(dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu)具有 傳動(dòng)效率高，約 92%— 98%，靈敏度高，無顫動(dòng)、無爬行，同步性好，定位精度高，使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。雖然 相對(duì)于 滑動(dòng) 絲杠價(jià)位偏高， 制造復(fù)雜， 但是性價(jià)比 較高，也更加符合設(shè)計(jì)所需滿足條件，因此選用滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)。 同時(shí) 選用內(nèi)循環(huán)的形式，因?yàn)檫@樣摩擦損失小，傳動(dòng)效率高，且徑向尺寸 控 制 器 驅(qū) 動(dòng) 器 驅(qū) 動(dòng) 器 步進(jìn) 電機(jī) 步進(jìn) 電機(jī) X 向工作臺(tái) Y 向工作臺(tái) 聯(lián)軸器 聯(lián)軸器 貴 州大學(xué)本科 課程設(shè)計(jì) 論文 5 結(jié)構(gòu)緊湊，軸向剛度高。由于定位精度不高，故選擇 雙螺母螺紋預(yù)緊調(diào)整 式，這種調(diào)隙方式結(jié)構(gòu)簡單，剛性好， 預(yù)緊可靠，使用中調(diào)整方便 。由于工 作臺(tái)最快的移動(dòng)速度 為 2020mm/min，故 所需的轉(zhuǎn)速不高，故可以采用一般的安裝方法，即兩端固定的軸承配置形式。 2. 導(dǎo)軌副的選用 本次設(shè)計(jì)的十字工作臺(tái)所配合的是數(shù)控鉆銑床，脈沖當(dāng)量較小，要求定位精度較高而負(fù)載較小，考慮滾動(dòng)導(dǎo)軌點(diǎn)接觸或者是線接觸，所以其抗震性 較 差，接觸應(yīng)力大，對(duì)導(dǎo)軌的表面硬度和表面形狀精度及尺寸精度要求高 。 而且其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，成本較高，所以考慮還是選用滑動(dòng)導(dǎo)軌，滑動(dòng)導(dǎo)軌制造簡單，性價(jià)比好，承受負(fù)載能力強(qiáng)。且使用矩形導(dǎo)軌，因其有制造、檢驗(yàn)和維修方便，剛度高等特點(diǎn)。 3. 聯(lián)軸器的選用 考慮到絲杠 的轉(zhuǎn)速不高，可以選用剛性聯(lián)軸器，它結(jié)構(gòu)簡單，容易制造，而且能保證嚴(yán)格對(duì)中。 4. 步進(jìn) 電機(jī)的選用 選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，可選開環(huán)控制，也可選閉環(huán)控制。任務(wù)書所給的精度對(duì)于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來說還是偏低，為了確保電動(dòng)機(jī)在運(yùn)動(dòng)過程中不受切削負(fù)載和電網(wǎng)的影響而失步，決定采用開環(huán)控制，任務(wù)書初選的脈沖當(dāng)量 和 定位精度 要求不高 ，空載最快移動(dòng)速度也只有 2020mm/min,故本設(shè)計(jì)不必采用高檔次的伺服電機(jī)，因此可以選用混合式步進(jìn)電機(jī)，以降低成本，提高性價(jià)比。 電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)的 XY工作臺(tái)準(zhǔn)備用在數(shù)控銑床上，其控制系統(tǒng)應(yīng)該具有輪廓控 制，兩坐標(biāo)直線插補(bǔ)與圓弧插補(bǔ)的基本功能，所以控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)成連續(xù)控制型。對(duì)于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開環(huán)控制系統(tǒng)，選用 MCS51系列的 8位單片機(jī) AT89S52 作為控制系統(tǒng)的 CPU，能夠滿足任務(wù)書給定的相關(guān)指標(biāo)。要設(shè)計(jì)一臺(tái)完整的控制系統(tǒng)，在選擇 CPU 之后，還要擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器， I/O 接口電路， D/A 轉(zhuǎn)換電路，串行接口電路等。選擇合適的驅(qū)動(dòng)電源，與步進(jìn)電動(dòng) 機(jī)配套使用 ，由于現(xiàn)在使用的多數(shù)都是模塊電路，因此本設(shè)計(jì)中只需選擇合適的驅(qū)動(dòng)器即可。 貴 州大學(xué)本科 課程設(shè)計(jì) 論文 6 第三章 機(jī)械部分的設(shè)計(jì)計(jì)算 導(dǎo)軌上移動(dòng)部件的重量估算 在該設(shè)計(jì)中，由于下部分導(dǎo)軌和滾珠絲杠副是受 力最嚴(yán)重的導(dǎo)軌和滾珠絲杠副，因此設(shè)計(jì)中的計(jì)算和校核都是基于下部分的，首先估計(jì)的是下部分導(dǎo)軌上的所受重力的大小； 根據(jù)任務(wù)書給出的數(shù)據(jù)， Y 向以上質(zhì)量（含臺(tái)面、工件及夾具等） 為 70kg，因此留 10%20%的余量，初步估算導(dǎo)軌上所受重力的大小為 800N。 切削力的計(jì)算 零件采用的加工方式為立式銑削，采用硬質(zhì)合金立銑刀，工件的材料為碳素鋼。查下表 可得立銑時(shí)的銑削力計(jì)算公式為： znadf pz 0 . 1 31 . 0 0 . 7 30 . 7 50 . 8 5eC 1 1 8 aF ? 表 cF 的計(jì)算公式（單位 N） 銑刀類型 工件材料 銑削力計(jì)算公式 面銑刀 碳素鋼 灰鑄鐵 可鍛鑄鐵 znadf pz . . 1eC 4 8 2 5 aF ??? 圓柱銑刀 碳素鋼 zadf pz 1 . 0 0 . 8 70 . 7 50 . 8 8eC 1 0 0 0 aF ? 灰鑄鐵 zadf pz 0 . 8 . 9eC 596aF ? 三面刃銑刀 碳素鋼 znadf pz . . 9eC 2 5 6 0 aF ??? 兩面刃銑刀 zadf pz . 8eC 2 7 4 6 aF ?? 立銑刀 znadf pz 0 . 1 31 . 0 0 . 7 30 . 7 50 . 8 5eC 1 1 8 aF ? 由任務(wù)書給出的數(shù)據(jù)可以求出 最大銑削力： 貴 州大學(xué)本科 課程設(shè)計(jì) 論文 7 118118aF 0 . 1 31 . 0 0 . 7 30 . 7 50 . 8 5eC ?? znadf pz 3 = 采用立銑刀進(jìn)行圓柱銑削時(shí)， 根據(jù)相關(guān)資料表 查得，各銑削力之間的比值范圍如下： cfncecfFFFFFF）（）（~~)~(??? 考慮逆銑時(shí)的情況，因?yàn)槟驺姷那闆r的受力最大的情況，為了安全考慮這種最危險(xiǎn)的工況 ，其如圖 。由此可估算三個(gè)方向的銑削力分別為： NNFFNNFFNNFFcfncecf 5 6 5 6 7 1 5 6 ???????????? 圖 銑刀切削力分析比較 貴 州大學(xué)本科 課程設(shè)計(jì) 論文 8 因?yàn)殂娤鞣绞绞?立銑，則工作臺(tái)受到垂直方向的銑削力 NFF ez ?? ，受到水平方向的銑削力分別為 fF 和 fnF 。 現(xiàn) 將水平方向較大的銑削力分配給工作臺(tái)的縱向 (絲杠軸線方向 )，則縱向 （軸向） 銑削力 xF ，橫向（徑向）銑削力為 yF 。 NeFzFNfnFyFNfFxF 4 7 9 0 7 1 9?????? 滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)計(jì)算 滾珠絲杠螺母副 最大工作載荷 的計(jì)算 在立銑時(shí)，工作臺(tái)受到縱向進(jìn)給方向的載荷（與絲杠軸線平行）NFF fx ?? ，受到橫向的載荷（與絲杠軸線垂直） NFF fny 8 7 9 0?? ，受到垂直方向的載荷（與工作臺(tái)面垂直） NFF ez ?? 。已知移動(dòng)部件總重量 G=800N，按矩形導(dǎo)軌進(jìn)行計(jì)算，最大工作載荷 Fm實(shí)驗(yàn)計(jì)算公式及參考系數(shù) 如表 所示 ： 表 ： 最大工作載荷 Fm實(shí)驗(yàn)計(jì)算公式及參考系數(shù) 導(dǎo) 軌類型 實(shí)驗(yàn)公式 K μ 矩形導(dǎo)軌 )( GFFKFF yzxm ???? ? 燕尾導(dǎo)軌 )2( GFFKFF yzxm ???? ? 三角形或綜合導(dǎo)軌 )( GFKFF zxm ??? ? . 8 注：表中 摩擦因數(shù) ? 均為滑 動(dòng)導(dǎo)軌 的摩擦因 素 。對(duì) 于 滑動(dòng) 導(dǎo)軌~?? ， 取 ?? 。求得滾珠絲杠副的最大工作載荷： ? ?NNNNGFFKFF yzxm)(][)(?????????????? ? 貴 州大學(xué)本科 課程設(shè)計(jì) 論文 9 滾珠絲杠螺母副最大動(dòng)載荷的計(jì)算 由任務(wù)書 數(shù)據(jù)，該 工作臺(tái) 在承受 最大銑削 力時(shí)的 最快進(jìn) 給速度v=500mm/min，初選絲杠導(dǎo)程 Ph=5mm,則此時(shí)絲杠轉(zhuǎn)速 n=v/Ph=100r/min。 任務(wù)書指出，該設(shè)備的使用壽命為 10 年；年均工作 280 天；每天 8小時(shí) 。則該 滾珠絲杠 螺母副 的使用壽命 T必須滿足： T=10 280 8=22400h 將其 代入 式60 1060nTL ?得絲杠壽命系數(shù) : )10()10(10 2240010060 6660 rrL ???? 計(jì)算滾珠絲杠螺母副的最大動(dòng)載荷的公式為下式： mHWQ FffLF 3 0? 式 中： L0 為 滾珠絲杠副的壽命，單位（ 106r）。 Wf 為 載荷系數(shù)，由表 查得。 Hf 為 硬度系數(shù)（ ≥58HRC 時(shí)，取 ；等于 55HRC 時(shí)，取 ；等于 時(shí)，取 ；等于 50HRC 時(shí)，取 ；等于 45HRC 時(shí)，取 ） 。 Fm為 滾珠絲杠副的最大工作載荷， 其 單位為 N。 取載荷系數(shù) ?wf ，軌道硬度為 60HRC 時(shí)，取硬度系數(shù) ?Hf 則 有 ： NNFffLF mHWQ)( 33 0?????? 即滾珠絲杠副的最大動(dòng)載荷為 。 表 ： 滾珠絲杠載荷系數(shù) 運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài) 載荷系數(shù)Wf 平穩(wěn)或輕度沖擊 ～ 中等沖擊 ～ 較大沖擊或振動(dòng) ～ 貴 州大學(xué)本科 課程設(shè)計(jì) 論文 10 初選滾珠絲杠副型號(hào) 根據(jù)計(jì)算出的最大動(dòng)載荷和初選的絲杠導(dǎo)程， 查相關(guān)資料選擇的滾珠絲杠副型號(hào)為 FFZD32055型 內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)式螺紋預(yù)緊滾珠絲杠副 滾珠絲杠副， 如圖 為該滾珠絲杠的安裝及外形尺寸，其幾何參數(shù)如表 。 圖 ： FFZD32055滾珠絲杠螺母副安裝及外形尺寸 表 ： FFZD32055型滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù)（單位 mm） 公稱直徑 0d 基本導(dǎo)程 Ph 絲杠外徑 1d 絲杠底徑 2d 循環(huán)圈數(shù) 鋼球直徑 wd 額定動(dòng)載荷 Co/KN 額定靜載荷 Coa/KN 32 5 5 螺母安裝尺寸 L1 B h D3 D4 D5 D6 D7 108 13 7 82 67 7 12 62 確定滾珠絲杠副的螺紋長度：由式 cq LLLL 22 ??? ?? 確定， 該式中， ?L 為有效行程， ?L =行程 +螺母長度 =240+108=348mm； ?L 為安全行程， ?L =5 0L =25mm；cL 為余程， cL =2 0L =10mm。 則計(jì)算得： mmLLLL cq 41822 ???? ?? 貴 州大學(xué)本科 課程設(shè)計(jì) 論文 11 支承方式的選擇與軸承壽命校核 支承方式的選擇 根據(jù)絲桿尺寸和有關(guān)數(shù)據(jù)， 經(jīng)過查閱 軸承選取的相關(guān) 資料，并結(jié)合本設(shè)計(jì)具體情況選擇 “ 單推－單推 ”的 支承方式 ，選用的軸承為 60 度接觸角推力角接觸球軸承，其主要參數(shù)如表 所示；圖 ； 表 ：角接觸球軸承主要參數(shù) 軸承名稱 軸承型號(hào) 結(jié)構(gòu)尺寸 安裝尺寸 額定載荷 數(shù)量 角接觸 球軸承 760205TIN d=25mm,B=15mm,D=52mm D1=32mm D2 =45mm 2 圖 ：角接觸球軸承尺寸結(jié)構(gòu) 軸承壽命校核 驗(yàn)算角接觸球軸承的壽命， 根據(jù)絲杠的設(shè)計(jì)尺寸，初選用軸承型號(hào)為760205TIN 的軸承，其相關(guān)參數(shù) 為 ， 額定動(dòng)載荷 kNCr ? 。 由計(jì)算知 最大工